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1、第45卷第5期大连理工大学学报Vol.45No.52005年9月JournalofdalianuniversityoftechnologySept.2005文章编号:1000-8608C2005)05-0682-05浮体锚泊系统计算分析肖越王言英#C大连理工大学船舶工程学院辽宁大连116024)摘要:利用数值方法研究了锚泊浮体在风~浪~流联合作用下的运动响应和锚链线张力变化规律.采用的数学模型主要包括三维锚链线静力模型和浮体频域运动模型.在数值计算中分别采用有限差分法和频域格林函数法求解三维锚链线
2、静力模型和浮体频域运动模型得到锚泊系统的总体刚度和浮体的水动力参数据此求解锚泊浮体运动方程得到锚泊浮体的运动响应和锚链线上的张力变化.对一锚泊半潜式海洋平台的实际校核应用证明本方法可以提供具有工程精度的锚泊性能预报.关键词:频域法;运动方程;锚泊系统中图分类号:U662;P752文献标识码:A0引言面;轴指向船首同时轴垂直水面向上.而在随体坐标系-中坐标面位于静水船舶与海洋结构物的锚泊问题是当今船舶与面;轴指向船首同时轴垂直水面向上且海洋工程中的重要问题之一.目前对于锚泊浮体该坐标系固定于浮体上并
3、与浮体一起运动.的计算大多采用悬链线方法.该方法是一种简单的解析方法但是由于其采用了过多的假设造成了计算结果精度偏低.为了锚泊系统的安全锚泊系统设计者不得不在计算结果上乘以一个较大的权数以保证实际锚泊系统达到设计要求.本文采用一种考虑锚链线各种受力并允许锚链弹性变形的计算模型.在频域内通过与浮体运动的耦合分析计算锚泊浮体的运动与受力采图1浮体运动坐标系统示意图用数值方法计算锚链线模型并通过一个实际算fig.1TheSketchofmotioncoordinateSfora例的计算与分析来验证本方法
4、在工程实际中的应floating-body用.1.1.2运动模型在波浪中运动的锚泊浮体所1数学模型受的载荷有重力~浮力~风力~流力~锚泊力和波浪力C一阶和二阶).其中浮力分为静水浮力和浮体1.1浮体运动模型运动时产生的静水恢复力.各种外载荷共同作1.1.1坐标系为了便于表示和分析浮体在波用引起浮体的运动根据准静态结构分析原理浪上的运动采用如图1所示的坐标系统.当假定浮体处于瞬态静止时作用在浮体上的外在图中引入两个坐标系:参考坐标系力不是一个平衡力系其不平衡力由浮体运动加-和随体坐标系C动坐标系)-
5、.在参速度引起的浮体惯性力来平衡.浮体所受的一阶考坐标系-中坐标面位于静水收稿日期:2004-04-16;修回日期:2005-03-05.作者简介:肖越C1976-)男博士;王言英#C1938-)男教授博士生导师.第5期肖越等,浮体锚泊系统计算分析683波浪力~静水恢复力~惯性力和锚泊力是相互联系l.2.3边界条件锚链线下点边界条件(忽略并随时间变化的,需要通过求解运动平衡方程得锚链线在海底平铺部分,即锚的位置),到,x=y=z=O(9)---l锚链线上点边界条件(s=Z),Mx+Cx+Kx=FW
6、(l)式中,M为附加质量矩阵;C为阻尼系数矩阵;Kx=xb,y=yb,z=zb(lO)为静水恢复力系数矩阵;x---其中x分别为浮体在锚泊点处的位移坐~x~x分别为广义加速b~yb~zb度列阵~广义速度列阵~广义位移列阵;Fl为一阶标.W波浪力.1.3锚泊浮体运动模型锚泊浮体的运动模型如下,1.2锚链线模型---l2l.2.l坐标系在锚泊系统的计算中,引入如Mx+Cx+Kx=FW+FW+Fm+FWd+Fc图2所示的2个坐标系,总体坐标系和局部坐标(ll)式中,F2为二阶波浪力;F为风力;F为流力;
7、F系.WWdcm为锚泊力.2数值方法2.1水动力系数的计算采用频域格林函数法计算M~C~K.2.l.l定解条件流场连续条件[L]~自由表图2锚泊系统坐标系示意图面条件[F]~海底不可穿透条件[b]~物面边界条fig.2Thesketchofthecoordinatesforamooring件[S]以及远方辐射条件[R]构成了在不可压缩line无粘无旋流场中绕流物体辐射问题的定解条件,在图2中,总体坐标系O-xyz为右手笛卡儿如式(l2)所示,坐标系,其坐标原点O位于锚点.而局部坐标系(20=O[L
8、]2tbn的坐标原点位于锚链线上的任意一点,t轴指80808t2+g8y=O[F]向锚链线的切线方向,n轴指向锚链线的法线方向,b轴指向锚链线的次法线方向.80[S]<8n=Ujnj(l2)l.2.2运动模型运动模型如下,lim0=O[b]yOWccoso+F(l+)-T8o/8s=O(2)-W~R80[R]csino+G(l+)+8T/8s=O(3)lim-ik0=OLRO(8RDH(l+)+Tcoso-8/8s=O(4)式中,n为物面外法线方向上的单位矢量;L为波8x/8s=(
